(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の外装体の内部に、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極とが、イオンは透過するが電子を透過させないセパレータを介して、前記外装体の軸方向に積層されている、電解液を備えた電池であって、前記正極および前記負極のいずれか一方の電極であって前記外装体の内面に当接して電気的に接続されている第１電極と、他方の電極であって前記外装体の内面に接触していない第２電極とを備えていて、導電性の集電体が、前記正極と前記負極と前記セパレータとを前記外装体の軸方向に貫通していて、前記第２電極は前記集電体に当接して電気的に接続されていて、前記第１電極は前記集電体と接触しておらず、
前記外装体は、筒状金属性の胴部と、当該胴部の軸方向開口部を覆う絶縁性の第１蓋部と第２蓋部を有していて、
前記集電体は、棒部と当該棒部の一端に形成された止め部とを備え、前記止め部が前記第２蓋部に当接していて、前記棒部が前記正極と前記負極と前記セパレータとを前記外装体の軸方向に貫通していて、他端が前記第１蓋部に支持されている、積層電池。
【請求項２】
前記集電体が、前記第２電極と導電性の接着剤により接合されている、請求項１に記載の積層電池。
【請求項３】
前記接着剤が、前記電解液で溶解しない樹脂と炭素粉末から構成され、その混合比が、全体を１００質量％とすると、前記電解液で溶解しない樹脂が３０〜９０質量％、炭素粉末が１０〜７０質量％である請求項２に記載の積層電池。
【請求項４】
前記電解液で溶解しない樹脂が、ポリイミドである請求項３に記載の積層電池。
【請求項５】
前記電解液が、非水系電解質を含む請求項１に記載の積層電池。
【請求項６】
積層電池がリチウム二次電池である請求項５に記載の積層電池。
【請求項７】
前記正極が、ＣＭＣをバインダーとするリン酸鉄リチウムを含んでいる請求項５または６のいずれか一項に記載の積層電池。
【請求項８】
前記集電体の棒部の側面に溝加工が施されている請求項１〜７のいずれか一項に記載の積層電池。
【請求項９】
請求項８における集電体の棒部の溝がネジ溝であり、当該ネジ溝のネジの谷の径は前記第２電極に設けた前記集電体が貫通する穴の径より大きい積層電池。
【請求項１０】
前記外装体の軸方向に積層された前記正負極およびセパレータからなる電極群の両端に押板を配し、当該押板により前記電極群を保持してなる請求項１〜９のいずれか一項に記載の積層電池。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の積層電池を金属製のブラケットを介して複数接続してなる積層電池システムであって、
当該ブラケットは２つの穴を有していて、
隣接する一方の積層電池の前記胴部が前記ブラケットの一方の穴に取付けられており、他方の積層電池の前記棒部が前記ブラケットの他方の穴に取付けられており、前記ブラケットを介して隣接する積層電池が直列に接続される積層電池システム。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに一項に記載の積層電池あるいは積層電池システムを用いた電気設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非水系電池の冷却構造に関する。詳しくは、非水系電池における冷却性能を向上した電池の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄電池には、円筒型電池、角型電池など種々の形状の電池が開発され広く使用されている。そして、比較的小容量の電池には、耐圧性や封口の容易さの点から円筒型が採用され、比較的大容量の電池には、取扱いの容易性から角型が採用されている。
【０００３】
また蓄電池の電極構造に着目すれば、大別して、積層タイプと捲回タイプの２つのタイプが広く使用されている。すなわち積層タイプの電池は、正極と負極がセパレータを介して交互に積層されてなる電極群が電池ケースに収納されてなる。積層タイプの電池の多くは角型の電池ケースを有している。一方捲回タイプは、正極と負極がセパレータを挟みつつ渦巻状に巻き取られた状態で電池ケースに収納されてなる。捲回タイプの電池ケースは円筒型のものもあるし角型のものもある。
【０００４】
特許文献１および特許文献２に、円筒型捲回電池に関する技術が開示されている。すなわち、図１において、蓄電池１は、電池ケース２内に配置された正極３、負極４、セパレータ５および電解液を主に備えている。そして電池ケース２は、上部に開口部２ａを有する概ね円筒状の容器であり、その底面部が負極端子に設定されている。帯状の正極３と負極４とはセパレータ５を挟みつつ渦巻き状に巻き取られた状態で電池ケース２内に配置されている。また、電池ケースの開口部２ａは、電池ケース２内に電解液が注入された状態で、封口板７により液密に封鎖されている。なお、封口板７の上面に設けたキャップ６が正極端子となる。正極端子は図示しないリード線により正極３に接続されている。円筒型捲回電池は前述したように比較的小容量の電池である。
【０００５】
蓄電池の冷却構造については種々の方法が提案されている。その多くは、蓄電池を複数個組み合わせてモジュール化した組電池に関するものである。これは蓄電池をモジュール化して大容量化すると、蓄電池の温度上昇が問題となるからである。組電池の冷却構造については、組電池を収納した容器の表面に突起を設けて冷却空気の流れに乱れを生じさせて放熱をよくする方法（例えば、特許文献３）や、隣り合う組電池の間に穴開きの金属製の冷却板を介在させて冷却空気の通路を設ける方法（例えば、特許文献３、４）もしくは収納容器の外部に突出する冷却フィンを設ける方法（例えば、特許文献５）等が提案されている。
【０００６】
特許文献６には、正極と負極の間にセパレータを介在させた角型積層電池ユニットにおいて、当該電池ユニットの間に冷却板を設けて、その冷却板に冷媒の流路を設けてなる電池ユニット積層体の冷却構造が開示されている。
特許文献７には、シート状のヒートシンクを正極と負極に配して、セパレータと共に捲回してなる円筒型捲回電池の技術が開示されている。
【０００７】
非水系二次電池、例えば、リチウム二次電池では、４Ｖ系正極材料（ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４等）と黒鉛系負極材料、微小短絡を防止するための微多孔膜セパレータ、４．５Ｖまでの高電圧に耐える有機電解液などが利用されている。
【０００８】
商品化以来、リチウム二次電池の容量は２倍以上に向上している。たとえば、パソコン向け円筒形電池（１８６５０）の容量は、１９９４年に１２００ｍＡｈであったものが２００２年には２２００ｍＡｈ、２００６年には２９００ｍＡｈへと向上しているが、充填密度向上による高容量化は、限界に近づきつつあり、電池の発火事故などが報道されるに至っている。
リチウム二次電池発火のメカニズムは下記に示す（１）〜（６）のようであるといわれている（例えば、非特許文献２）。
（１）充電末期に黒鉛負極上でＬｉデンドライトや不純物金属（Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉなど）が析出して微小短絡を引き起こし、温度が上昇する。
（２）８０℃付近から負極表面被膜と電解液が反応開始して、温度上昇し安全装置であるＰＣＴ素子が作動して電流遮断される。
（３）８０℃付近から電解液分解が開始してガス発生し、安全装置である圧力弁が作動して電流遮断される。
【０００９】
（４）１２０℃以上ではポリエチレンやポリプロピレンの微多孔膜セパレータの微多孔が閉じることで反応を遮断(シャットダウン機能の作動)して、電流遮断される。
（５）ところが、１６０℃以上ではセパレータが溶解して短絡を引き起こし発熱する。
（６）さらに、２２０℃以上では正極材料（ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４など)が熱分解して酸素放出して、有機溶媒と反応して急激な温度上昇を引き起こす。
そこで、電池の高容量化と安全性の両立が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−１９８０４４号公報
【特許文献２】特開２００４−１０３３５０号公報
【特許文献３】特開２００９−０１６２８５号公報
【特許文献４】特開２００３−００７３５５号公報
【特許文献５】特開２００１−１４３７６９号公報
【特許文献６】国際公開２００８／０９９６０９号公報
【特許文献７】特開平１１−１４４７７１号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】第５２回電池討論会講演要旨集（２Ｂ１９）「ＬｉＦｅＰＯ４正極の高出力化」  ２０１１年
【非特許文献２】ＫＥＣ情報 次世代電池特集（二次電池の最新動向と将来展開）、Ｎｏ．２１５、ｐｐ．２〜８．２０１０年１０月号．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
非水系二次電池の構成要素のひとつであるセパレータは、正負極間の短絡を防止し、電解液を保持する機能の他、高温（約１２０℃）時にシャットダウン機能を発現して、電池の安全性を高める重要なパーツであるが、ポリエチレンやポリプロピレン等のフィルムを素材として採用しているので、正極や負極の電極と比べてその熱伝導度は小さく、熱を伝え難い。
【００１３】
図１に示す捲回電池の冷却について言及すれば、電極とセパレータの積層方向（円周方向）に対して直角方向（半径方向）に熱を伝える必要があるが、多層に重ねられた電極とセパレータを経て良好に熱伝達を行うことは困難である。図２は、電池表面（ケース）から中心部に向けての電池内部の温度勾配の状況を説明するための模式図である。図２によれば、円筒型捲回電池においてケースと電極は熱伝導度が高いので大きな温度勾配は生じないが、セパレータは熱伝導度が低いので大きな温度勾配を生じ、中心部に行くほど高温となっていることがわかる。
【００１４】
すなわち、捲回電池の電池ケースの表面温度は周囲温度に近いものの、中心部分の温度は高く、特に充放電状態においてはかなり高温となる。電池ケースの外側を冷却しても、電池内部の温度は必要な程度に冷却されない。電解液は８０℃以上で分解しガスを発生させ、安全装置である圧力弁が作動して電流が遮断される。一般に、リチウム二次電池に使用されている電解液においては（例えば、ＬｉＰＦ６塩を溶解したプロピレンカーボネート、エチレンカーボネートなど）、８０℃以上で電解液が気化或いは分解しガスが発生する。他方、セパレータは温度が高くなるとシャットダウンし、電池の機能を失う。一般に、リチウム二次電池に使用されているセパレータにおいては（例えば、ポリエチレン微多孔膜、ポリプロピレン微多孔膜など）、約１２０℃に達すると、材料が熱収縮して細孔が塞がれ、電極間の電流の流れを妨げる。また、高温環境下では電極の劣化は促進される。
【００１５】
電池の冷却方法として、電池ケースの表面に突起を設けて熱の放散を良くする方法（例えば、特許文献３）や、組電池の間に穴開きの金属板を設けて冷却空気を流して冷却する方法（例えば、特許文献３，４）もしくは冷却フィンを設ける方法（例えば、特許文献５）が提案されているが、これらはいずれも電池ケースの表面を冷却するのには有効であるが、セパレータによる温度勾配が存在するため捲回電池においては効果的な冷却方法ということができない。
【００１６】
ヒートシンクを電極と共に捲回する方法（例えば、特許文献７）や、冷却水が流れるパイプを電池内部に収納する方法が提案されている。これらの方法は、電池ケースの表面を冷却するよりは効果的な冷却方法といえるかもしれないが、冷却のためのスペースを必要とし、電池寸法が大きくなり、体積当りの電気容量が低下する。
【００１７】
リチウム二次電池の用途としては携帯機器が中心であり高容量のＬｉＣｏＯ２正極が使用され、２０１０年には１８０００ＭＷｈの電池生産が予想され、Ｃｏは約２万トン(世界生産量の約３０％)必要となる。そこで、自動車用では、資源やコストの観点からマンガン系ＬｉＭｎ２Ｏ４が利用されるが、高温時にＭｎが電解液に溶出し、材料自身が熱耐久性に欠ける。
【００１８】
ジュール熱の量は、抵抗Ｒと電流Ｉの二乗の積により定まるため、非水系二次電池に限らず、電池に電流を流すとジュール熱により、電池内部に熱が発生する。低容量の電池であれば、その熱は、時間と共に電池系外へ排出されるため、電池温度の上昇をある程度が抑えることができる。しかし、例え低容量電池であっても、大きな電流密度で充放電を行うとジュール熱により電池内部が蓄熱されやすく、高容量になればその傾向は大きくなる。
したがって、電池内部が蓄熱されると電池の劣化を促進させ、また、安全性も低くなる。
【００１９】
二次電池の入出力特性を評価する指標として、放電レートが知られている。放電レートとは、公称容量値の容量を有するセルを定電流放電して、１時間で放電終了となる電流値を「１Ｃ率」とすることを基準とした指標であり、例えば、５時間で放電終了となる電流値は「０．２Ｃ率」、１０時間で放電終了となる電流値は「０．１Ｃ率」と表記される。
【００２０】
リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）は、その高い入出力特性により、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、スピネル型マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）などに代わるリチウム含有遷移金属酸化物として採用されつつある。しかし、このような高い入出力特性を有する電極（質量％比で、ＬｉＦｅＰＯ４：ＫＢ：ＰＶｄＦ＝８３：５：１２、電極厚さ：６５μｍ、容量密度：０．８ｍＡｈ／ｃｍ２）であっても、５Ｃ率以下の放電レートに留まる。放電レートは、電流密度が小さいほど高いため、現状では、高い入出力特性を得るために電極厚さを薄くせざるを得ず、一つのセルあたりの電極容量が小さくなる。
【００２１】
そこで、例えば、非特許文献１では、各添加剤、バインダー、集電体等を最適化し、ＬｉＦｅＰＯ４正極の高出力化を図っているが、それでも、高速で充電或いは放電を行うと電池温度は高温になり、電極の劣化を促進するため、放熱性に優れた電池構造が求められる。
【００２２】
本発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、電池内部の温度上昇を抑制するとともに、冷却のために電池内に余分なスペースを必要としない電池を提供する。さらには、大きな電流密度で充放電を行っても、電池の劣化を防ぐことを可能とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
前記した目的を達成するために、本発明に係る積層電池は、筒状の外装体の内部に、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極とが、イオンは透過するが電子を透過させないセパレータを介して、前記外装体の軸方向に積層されている、電解液を備えた電池であって、前記正極および前記負極のいずれか一方の電極であって前記外装体の内面に当接して電気的に接続されている第１電極と、他方の電極であって前記外装体の内面に接触していない第２電極とを備えていて、導電性の集電体が、前記正極と前記負極と前記セパレータとを前記外装体の軸方向に貫通していて、前記第２電極は前記集電体に当接して電気的に接続されていて、前記第１電極は前記集電体と接触しておらず、前記外装体は、筒状金属性の胴部と、当該胴部の軸方向開口部を覆う絶縁性の第１蓋部と第２蓋部を有していて、前記集電体は、棒部と当該棒部の一端に形成された止め部とを備え、前記止め部が前記第２蓋部に当接していて、前記棒部が前記正極と前記負極と前記セパレータとを前記外装体の軸方向に貫通していて、他端が前記第１蓋部に支持されている。また、本発明に係る積層電池は、前記電解液が非水系電解質を含んでいることが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、セパレータは非水系の電解液を保持していて、正負極間の絶縁を図るとともに、イオンの透過を可能にしている。外装体は金属でできており、外装体に接触している方の電極（第１電極）の端子として機能する。正負極およびセパレータは、好ましくはシート状に形成されている。外装体は中空であって、各電極は外装体の軸方向に積層されて外装体内部に収納されている。第１電極の外形寸法（厚み方向と垂直方向の寸法）は外装体の内径よりも少し大きく作られている。第１電極はその外周の全体もしくは部分的に外装体の内面に接触している。第１電極が外装体内部に圧入されたときに、第１電極は外装体と接触して、電気的に接続されるのみならず、熱的にも小さな抵抗で外装体に接続されるので、電極の冷却に有効に作用する。
【００２５】
一方、第２電極の外径寸法は外装体の内径よりも小さく作られており、第２電極は外装体と接触せず絶縁されている。外装体は、好ましくは缶であってよく、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニューム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）、ステンレス鋼などの金属であってよいし、導電性のガラス、カーボン（Ｃ）やポリマーなどであってもよいが、熱伝導性と電子導電性の観点から、鉄、銅、ニッケル、アルミニューム、金、ステンレス鋼等が好ましい。なお、第１電極が正極である場合は、使用する活物質によって異なるが、耐酸化性の観点から、アルミニューム、ステンレス鋼等が好ましい。第１電極が負極である場合は、使用する活物質によって異なるが、耐還元性の観点から、銅、ニッケル、ステンレス鋼等が好ましい。
【００２６】
第１電極で発生する熱は、直接外装体に伝えられる。途中に熱の不良導体を介さないので熱勾配（温度差）は小さい。第２電極で発生する熱は、セパレータを介して第１電極に伝えられる。途中に熱伝導度の小さいセパレータが介するが、１枚だけであり大きな熱抵抗とはならないので熱勾配は小さく抑えられる。更に、正負極とセパレータからなる電極群を軸方向に大きな圧力を持って外装体に押し込むことにより、第２電極が強く第１電極に押し付けられるので、第２電極の熱の移動はより大きくなる。捲回電池の温度勾配が大きいのは、外装体と電極の間に幾重もの熱を伝え難いセパレータが介在しているのと、その構造上大きな力で捲回することができないので電極間の熱の移動を大きくすることができないからである。
【００２７】
捲回電池の総括熱伝達係数（Ｕ1）は、数１で示されるところ、本発明に係る積層電池の総括熱伝達係数（Ｕ2）は、数２で示される。両者を比較すると、アンダーラインで示す項において大きな差が生じることが分かる。具体的な数値は、実施の形態で詳述するが、捲回電池の捲回数（ｎ）が大きいほど、総括熱伝達係数は小さくなる。
【００２８】
【数１】
0005514971.tif 000002
【００２９】
【数２】
0005514971.tif 000003
【００３０】
以上のように、本発明に係る積層電池の温度勾配は小さく、積層電池の中心部における温度上昇を小さくすることができる。このため電池内部に冷媒を流すためのパイプ等を設ける必要がないのでコンパクトな構造で温度上昇を抑えることができる。更には、外装体の冷却は比較的容易に行うことができるので、効果的に温度上昇を抑えることが可能となる。
【００３１】
また、第２電極は前記集電体に当接して電気的に接続されていて、第１電極は前記集電体と接触していないので、正負極とセパレータは、それぞれ、その中心部分に集電体が通る穴を有しており、その穴を集電体が貫通している。第１電極の穴の径は、集電体の外径より大きく、このため第１電極は集電体と接触せず、第２電極の穴の径は、集電体の外径より小さく、このため第２電極は集電体と接触して電気的に接続されている。
集電体は第２電極の端子として機能する。また集電体は、電子伝導性を有しいる材料であれば特に限定されない。
本構成によれば、電解液は非水系の電解液であるところ、有機電解液がこれに相当する。アルカリ水溶液からなる電解液は水系の電解液の代表例である。
【００３２】
非水系二次電池には、リチウム二次電池、ナトリウム二次電池、マグネシウム二次電池、カルシウム二次電池などが挙げられ、リチウムイオンキャパシター、ナトリウムイオンキャパシター、マグネシウムイオンキャパシター、カルシウムイオンキャパシターも非水系二次電池に含まれる。
【００３３】
本発明に係る積層電池は、前記集電体の棒部の側面に溝加工が施されていて、当該集電体の棒部の溝がネジ溝であり、ネジ溝のネジの谷の径は前記第２電極に設けた前記集電体が貫通する穴の径より大きい。
【００３４】
この構成によれば、集電体の側面には溝加工が施されている。そして、その溝はネジ溝であってよく、第２電極に設けた穴の径が集電体のネジの谷の外径より小さく、第１電極に設けた穴の径が集電体のネジの山の外径より大きい。第２電極に設けた穴の径が集電体のネジの谷の外径より小さくすることにより、第２電極と集電体の接触を十分確保することが可能になる。
【００３５】
集電体にネジ溝加工を施さない場合、電極の組立時に集電体と電極との結合が緩み、集電体と電極の密接な接触が保たれなくなることがある。係る問題を解決するために、集電体にネジ溝加工を施した。すなわち、ネジのリードに沿って第２電極と集電体が強い嵌め合い状態を維持することとなる。これにより、組立加工時に電極が集電体から抜けるのを防止することが可能となる。
【００３６】
本発明に係る積層電池は、前記接着剤が、前記電解液で溶解しない樹脂と炭素粉末から構成され、その混合比が、全体を１００質量％とすると、前記電解液で溶解しない樹脂が３０〜９０質量％、炭素粉末が１０〜７０質量％であることが好ましい。また、前記電解液で溶解しない樹脂が、より好ましくはポリイミドである。
【００３７】
導電性を有する接着剤により集電体と第２電極を接合することによって、例え、第２電極に設けた穴の径が集電体のネジの谷の外径より大きくなっても、電気的に第２電極と集電体の接触を確保することが可能になる。
さらに、集電体と第２電極とを接着剤により接合することで組立加工時に電極が集電体から抜けてしまうのを確実に防止することができる。
【００３８】
そして、混合比を電解液で溶解しない樹脂が３０〜９０質量％に限定した理由は、３０質量％未満であると炭素粉末が嵩高いため、十分な接着性を確保しにくく、９０質量％を超える場合は、炭素粉末を混合しても十分な導電性を確保しにくいからである。したがって、電解液で溶解しない樹脂は３０〜９０質量％が好ましく、５０〜７０質量％がより好ましい。同様に、炭素粉末は、１０〜７０質量％であることが好ましく、３０〜５０質量％であることがより好ましい。
【００３９】
電解液で溶解しない樹脂とは、電解液に対して安定で且つ接着性を保持しておればよく、この観点から、ＣＭＣ、ＰＶＡ、ポリアクリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミドが好ましい。なかでも、耐熱性の観点から、ポリイミドが好ましい。
【００４０】
本発明に係る積層電池は、前記外装体が蓋付有底の円筒であってもよく（図３）、また、前記外装体が断面が略矩形の有底の容器と、前記容器の開口部を覆う蓋部材を備えていてもよい（図８）。この構成によれば、外装体は缶であってもよい。
【００４１】
本発明に係る積層電池システムは、当該積層電池の容器の底部と、隣接する積層電池の蓋部材とが対向する方向に積層して、複数の積層電池を直列に接続して構成される（図９）。
【００４２】
本発明に係る電池システムは、当該積層電池の容器の底部と、隣接する積層電池の蓋部材とが接触して、複数の積層電池が積層されることにより直列に接続したものであってもよい。
【００４３】
この構成によれば、２つの積層電池の一方の蓋部材と他方の積層電池の容器の底部が当接することにより積層され、電気的に直列に接続される。複数の積層電池をこのように接続すれば、接続数に応じて電池システム（組電池）の出力電圧は高くなる。
【００４４】
本発明に係る積層電池は、前記外装体が円筒状の金属性の胴部と、当該胴部の軸方向開口部を覆う２つの蓋部を有していて、前記集電体は前記蓋部を貫通している（図１０）。
【００４５】
この構成によれば、集電体は蓋部を貫通して両端の蓋部に支持されていてもよい。外装体は、円管（パイプ）の両端開口部に蓋を備えたものであってもよい。外装体は円管と蓋により、その内部に密閉空間を形成する。密閉空間内に正負極とセパレータからなる電極群が収納される。蓋部は金属製であってもよい。第１電極の外径寸法は外装体の内径よりも少し大きく作られており、第２電極の外径寸法は外装体の内径よりも小さく作られている。
【００４６】
本発明に係る電池システムは、複数の積層電池と、前記複数の積層電池の間に配される柱状の金属製の接続金具とを備え、前記接続金具の底面と上面にはそれぞれ軸方向に接続穴が設けられていて、上面に設けられた接続穴には一方の積層電池の集電体の端部が嵌合可能になっていて、底面に設けられた接続穴には他方の積層電池の集電体の端部が絶縁体を介して嵌合可能になっていて、前記上面に設けられた接続穴の深さが一方の積層電池の蓋部から突出した集電体の長さよりも小さくなっていて、かつ、前記底面に設けられた接続穴の深さが他方の積層電池の蓋部から突出した集電体の長さよりも大きくなっていて、前記接続金具を介して前記複数の積層電池を接続してなる。
【００４７】
接続金具は円柱もしくは角柱であってよく、接続金具の底面と上面はそれぞれ互いに隣接する積層電池の蓋部に面接可能となっている。上面に設けられた穴に集電体を嵌合することにより、一方の積層電池の集電体と他方の積層電池の蓋部が機械的に接続されるとともに、電気的に接続される。なお、底面に設けられた穴と集電体の間には絶縁体が介在しているので、隣接する積層電池の集電体は互いに絶縁されている。接続金具を用いることにより積層電池を直列に接続することが可能となる。
【００４９】
この構成によれば、蓋部を貫通した集電体が隣接する積層電池の接続穴に嵌合することにより、接続金具を介して積層電池を複数直列接続する。そして、接続された積層電池の数に応じて、積層電池システムの端子電圧は大きくなる。
【００５０】
本発明に係る積層電池は、前記外装体が筒状金属性の胴部と、当該胴部の軸方向開口部を覆う絶縁性の第１蓋部と第２蓋部を有していて、前記集電体は、一端が前記第２蓋部に当接していて、前記正極と前記負極と前記セパレータとを前記外装体の軸方向に貫通していて、他端が前記第１蓋部に支持されている。また、本発明に係る積層電池は、前記集電体が、棒部と当該棒部の一端に形成された止め部とを備えており、前記止め部が前記第２蓋部に当接する構成としてもよい。
【００５１】
この構成によれば、第１蓋部と第２蓋部は胴部の両端の開口部を覆うようになっており、外装体は胴部と蓋部により、その内部に密閉空間を形成しており、密閉空間内に正負極とセパレータからなる電極群が収納される構造となっている。第１電極の外径寸法は外装体の内径よりも少し大きく作られており、第２電極の外径寸法は外装体の内径よりも小さく作られていることは前述した通りである。
【００５２】
棒部より大きい外径を有している止め部は、電極群が集電体から抜け落ちるのを防止することを可能にしている。止め部は第２蓋部に当接しているので、集電体の軸方向の移動が制限される。
【００５３】
本発明に係る積層電池システムは、積層電池を金属製のブラケットを介して複数接続してなる積層電池システムであって、当該ブラケットは２つの穴を有していて、隣接する一方の積層電池の前記胴部が前記ブラケットの一方の穴に取付けられており、他方の積層電池の前記棒部が前記ブラケットの他方の穴に取付けられており、前記ブラケットを介して隣接する積層電池が直列に接続される。
【００５４】
この構成によれば、ブラケットは板状の金属であり、鉄、銅、アルミニューム、ニッケル、チタンまたはステンレス鋼であってよく、鉄にニッケルメッキ、銅メッキ、アルミニュームメッキなどを施したものであってもよい。ブラケットは積層電池を組立てる構造体となると共に、隣接する積層電池を電気的に接続する役割を果たし、更には積層電池の放熱板としての機能も果たす。ブラケットにファン等で冷却空気を送ることにより冷却能力を高めることができる。複数のブラケットを用いて積層電池を次々と接続して、積層電池の直列数を増やして、出力電圧の高圧化を図ることが可能である。
【００６７】
本発明に係る積層電池は、前記外装体の軸方向に積層された前記正負極およびセパレータからなる電極群の両端に押板を配し、当該押板により前記電極群を保持してなる。
【００６８】
この構成によれば、２つの押板の間に正極、負極、セパレータを積層した電極群が配置されることになる。この押板は、電極の組立時において、電極が集電体から脱落するのを防止して、作業性を高める。そして、組立後においては、電極群の圧縮状態を保持する役割を果たす。
【００６９】
発明に係る積層電池は、リチウム二次電池であることが好ましい。非水系積層電池がリチウム二次電池であることが好ましい。リチウムイオンを用いることで、動作電位と放電容量を高くすることができる。
【００７０】
本発明に係る積層電池は、前記正極が、ＣＭＣをバインダーとするリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）を含んでいる。ＣＭＣはカルボキシメチルセルロースの略称である。ＣＭＣをバインダーとするＬｉＦｅＰＯ４正極は、ＣＭＣをバインダーとしていることで、高温環境下であっても電解液によるバインダー膨潤が少なく、また有機溶媒を用いずに電極を作製することができる。そのため、高温環境下であっても、高出力特性を維持でき、コストと環境の観点からも好ましいバインダーである。例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）をバインダーとするＬｉＦｅＰＯ４正極の場合、高温環境下でＰＶｄＦが膨潤するため、電極のインピーダンスが大きくなる。したがって、電池の出力特性とサイクル寿命特性が低下するため、ＣＭＣを用いることが好ましい。また、ＬｉＦｅＰＯ４を活物質とすることで、高温環境下であっても活物質の分解による酸素放出がなく、高温耐久性が向上する。バインダーはＣＭＣにＳＢＲ、ＰＶＡ、フッ素樹脂、アクリル樹脂等を添加し、バインダーの強度を高めてもよい。正極は、活物質、バインダー、必要に応じて添加される導電剤から構成され、その混合比が、全体を１００質量％とすると、活物質が７５〜９８質量％、バインダーが２〜２５質量％、導電剤が０〜１０質量％であることが好ましい。
【００７４】
電極集合体は、非水電解液中、前記集電体をネジ込まれた電極集合体に電流を流すことによって、第２電極にアルカリ金属をドープし、不可逆容量を低減させる。この不可逆容量を低減させる方法によれば、例え第２電極に不可逆容量を有する電極を用いても、第２電極にアルカリ金属がドープされるので、不可逆容量を低減した電極集合体を得ることができる。
【発明の効果】
【００７５】
本発明は、電池内部の温度上昇を抑制するとともに、冷却のために余分なスペースを必要としない非水系二次電池の提供を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】円筒型捲回電池の一部を破断した概略斜視図である。
【図２】円筒型捲回電池の温度勾配の状況を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施例１に係る円筒型積層電池の概略構成図であり、軸方向断面を示す図である。
【図４】集電体のネジ構造を模式的に示した図であり、集電体に電極群を挿入したときの部分拡大図である。
【図５】縦溝構造の集電体の図面（平面図と側面図）である。
【図６】図３に示す本発明の第一実施形態に係る円筒型積層電池の変形例を示す概略軸方向断面図である。
【図７】円筒型積層電池の組立方法を説明する断面図である。（ａ）は丸棒に電極群を組み込んだときの軸方向断面図であり、（ｂ）は、丸棒を抜き集電体をねじ込んだときの軸方向断面図である。
【図８】本発明の実施例２に係る角型積層電池の概略構成図である。（ａ）は軸方向断面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図９】本発明の実施例２に係る角型積層電池を用いて組電池としたときの構成図である。
【図１０】本発明の実施例３に係る円筒型積層電池の概略構成図であり、軸方向断面を示す図である。
【図１１】本発明の実施例３に係る円筒型積層電池を用いて組電池としたときの構成図である。（ａ）は接続金具と積層電池の接続情況を説明する概略構成図であり、（ｂ）は組電池を構成した場合の構成を説明する図である。
【図１２】本発明の実施例４に係る円筒型積層電池を示す概略構成図であり、軸方向断面を示す図である。
【図１３】本発明の実施例４に係る円筒型積層電池を用いて組電池としたときの構成図である。（ａ）は組電池を構成した場合を説明する図であり、（ｂ）は組電池を構成するためのブラケットの平面図である。
【図１４】本発明の実施例５に係る円筒型積層電池を示す概略構成図である。（ａ）は軸方向断面図であり、（ｂ）は正極、負極、セパレータの平面図である。
【図１５】本発明の実施例５に係る円筒型積層電池を用いて組電池としたときの構成図である。（ａ）は組電池を構成した場合を説明する図であり、（ｂ）は組電池を構成するための放熱板の平面図である。
【図１６】本発明の実施例５に係る円筒型積層電池の変形例を示す概略構成図である。
【図１７】本発明の実施例６に係る円筒型積層電池を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００７７】
以下、本発明に係る実施形態を図面にしたがって説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。本発明の積層電池に用いられる電極、電解液およびセパレータは、非水系二次電池で一般的に用いられるものであれば特に限定されない。非水系二次電池には、リチウム二次電池、ナトリウム二次電池、マグネシウム二次電池、カルシウム二次電池などが挙げられ、リチウムイオンキャパシター、ナトリウムイオンキャパシター、マグネシウムイオンキャパシター、カルシウムイオンキャパシターも非水系二次電池に含まれる。
【００７８】
本発明の実施形態の説明において、説明の都合上リチウム二次電池について述べるが、非水系電解液を用いた二次電池であればよく、リチウム二次電池に限定されるものでない。
【００７９】
本発明の各実施形態について説明するのに先立ち、全ての実施形態に共通する事項について説明を行う。すなわち、上記の二次電池のうち、動作電位と放電容量が高いことからリチウム二次電池が好ましい。以下、リチウム二次電池を例にして、最初に電極、電解液およびセパレータ等、主として電極の製造について説明し、その後、リチウム二次電池の他の主な構成部品の製造について説明をする。
＜電極および主な構成部品の製造について＞
【００８０】
負極は、チタン酸リチウム、ＣＭＣ、およびケッチェンブラック（ＫＢ）を混合し（質量比で９０：５：５）、スラリー状合剤を調整した。この合剤を厚さ２０μｍのステンレス鋼箔上に塗布し、仮乾燥した後、加熱処理（減圧中、１６０℃、５時間以上）して負極を得た。
ケッチェンブラックは、直径３〜５００ｎｍ程度の炭素微粒子群であり、主として、電極の導電性を高める導電剤として用いられる。
【００８１】
負極は、リチウムの吸蔵および放出が可能な負極活物質およびバインダーを含有するものである。ここで、リチウムの吸蔵および放出が可能な負極活物質とは、初期の充電においてリチウムイオンを吸蔵することができ、且つ、その後の充放電時においてリチウムイオンを吸蔵・放出することができるものであれば上記のものに限定されない。材料コストと、低温環境下での充電や高速充電によりリチウムデンドライドが発生しにくいという観点から、ハードカーボン、ソフトカーボン、りん酸スズ、シリコン、一酸化珪素、スズ、一酸化スズ、二酸化スズ、シュウ酸スズ、スズ−銅合金等であってもよい。
【００８２】
ソフトカーボンは、易黒鉛化性炭素ともよばれ、不活性雰囲気中で加熱処理を施した際に黒鉛構造となりやすいカーボン材料であり、ハードカーボンは、難黒鉛化性炭素ともよばれ、黒鉛構造の発達が抑えられた不規則な構造を持つものカーボン材料であり、両者のカーボンは、主として、リチウム二次電池の負極活物質として用いられる。
【００８３】
正極は、リン酸鉄リチウム、ＣＭＣ、活性炭、およびＫＢを混合し（質量比で８９：４：２：５）、スラリー状合剤を調整した。この合剤を厚さ２０μｍのステンレス鋼箔上に塗布し、仮乾燥した後、加熱処理（減圧中、１６０℃、５時間以上）して正極を得た。
【００８４】
正極は、リチウムの吸蔵および放出が可能な正極活物質およびバインダーを含有するものである。ここで、リチウムの吸蔵および放出が可能な正極活物質とは、初期の充電においてリチウムイオンを吸蔵することができ、且つ、その後の充放電時においてリチウムイオンを吸蔵・放出することができるものであれば上記のものに限定されない。酸化還元電位とリチウムイオンの吸蔵および放出が可能な量の観点から、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、コバルトマンガンニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウム、酸化バナジウム系材料、硫黄系材料、グラファイト等の既存のものが挙げられる。材料コストと高温耐久性の観点から、正極の活物質はリン酸鉄リチウムが好ましい。
【００８５】
セパレータとしてポリプロピレンの微多孔膜を用いた。セパレータは、リチウムイオンを透過させるが電子を透過させない素材であればポリプロピレンに限定されない。例えば、ポリエチレン、ポリエステル、セルロース、アラミド、ポリアミド等の樹脂からなる多孔質シート、ガラスフィルター、不織布、織布等をセパレータを形成する素材として用いることができる。
【００８６】
電解液として１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ６／ＥＣ：ＤＥＣ（５０：５０ｖｏｌ％）を採用した。電解液は、リチウム二次電池で一般的に用いられている非水電解質であればよい。電解液に使用される電解質は、リチウムイオンを含有する必要があることから、リチウム二次電池で用いられるものであれば上記のものに限定されないが、その電解質塩としては、リチウム塩が好適である。このリチウム塩としては、例えば、ヘキサフルオロリン酸リチウム、過塩素酸リチウム、テトラフルオロホウ酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム及びトリフルオロメタンスルホン酸イミドリチウムよりなる群から選択される少なくとも一種を用いることができる。上記リチウム塩は、電気的陰性度が高く、イオン化しやすいことから、充放電サイクル特性に優れ、二次電池の充放電容量を向上させることができる。
【００８７】
上記電解質の溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、γ−ブチロラクトン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、ニトロメタン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドよりなる群から選択される少なくとも一種を用いることができ、特に、プロピレンカーボネート単体、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物、又はγ−ブチロラクトン単体が好適である。
【００８８】
なお、上記エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物の混合比は、エチレンカーボネート及びジエチルカーボネートともに１０〜９０ｖｏｌ％の範囲で任意に調整することができる。あるいは、溶媒を用いず、固体電解質でもかまわない。
【００８９】
負極の作製方法としては、例えば、負極活物質、バインダーおよび必要に応じて導電剤を添加した粉末に、溶剤又は水を加えてペースト状にしたものを、集電体上に塗布成形することで製造することができる。同様に、正極の製造方法としては、正極活物質、バインダー、および必要に応じて導電剤を添加した粉末に溶剤又は水を加えてペースト状にしたものを、集電体上に塗布成形したものを使用することができる。
【００９０】
導電剤としては、ケッチェンブラック（ＫＢ）を用いたが、導電性を有する粉末であれば特に制約はないが、低い材料コストであり、しかも高い導電性を有する、炭素材料が好ましい。例えば、アセチレンブラック（ＡＢ）、黒鉛、カーボンファイバー、カーボンチューブ、非晶質炭素等の炭素材料を、一種単独で用いてもよいし、または二種以上を併用してもよい。
【００９１】
バインダーとしては、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を用いた。例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル、スチレンブタジエンゴム、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体、カルボキシメチルセルロース等の材料を一種単独で用いてもよく、二種以上を併用してもよい。高温耐久性の観点から、バインダーは、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル、カルボキシメチルセルロース等が好ましい。なかでも、カルボキシメチルセルロースは溶媒に水を用いることができるためより好ましい。
集電体としては、ステンレス鋼を用いたが、電子伝導性を有し、保持した負極材料に通電し得る材料であればこれに限定されない。
【００９２】
例えば、Ｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｌ等の導電性物質、および、これら導電性物質の２種類以上を含有する合金（例えば、ステンレス鋼）、導電性を有するガラスやポリマーなどを使用し得る。なお、第２電極が負極である場合、集電体は、電気伝導性が高く、電解液中の安定性がよい観点とリチウムと合金化しにくい材質が好ましく、具体的には、Ｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ、ステンレス鋼等が好ましく、さらに材料コストの観点からＣ、Ｎｉ、Ｃｕ、ステンレス鋼等が好ましい。
【００９３】
第２電極が正極である場合、集電体は、電気伝導性が高く、電解液中の安定性とリチウムと合金化しにくい材質が好ましく、具体的には、Ｃ、Ａｌ、ステンレス鋼等が好ましい。集電体の形状には棒状を採用したが、この他、線状、板状、箔状、網状、織布、不織布、エキスパンド、多孔体又は発泡体があり、このうち充填密度を高めることができること、出力特性が良好なことから、エキスパンド、多孔体又は発泡体が好ましい。
【００９４】
外装体は、好ましくは缶であってよく、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニューム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）、ステンレス鋼などの金属であればよい。更に、導電性のガラス、カーボン（Ｃ）やポリマーなどであってもよいが、熱伝導性と電子導電性の観点から、鉄、銅、ニッケル、アルミニューム、金、ステンレス鋼等が好ましい。なお、第１電極が正極である場合は、使用する活物質によって異なるが、耐酸化性の観点から、アルミニューム、ステンレス鋼等が好ましい。第１電極が負極である場合は、使用する活物質によって異なるが、耐還元性の観点から、銅、ニッケル、ステンレス鋼等が好ましい。本実施形態においては、ともにステンレス鋼を用いた。
【００９５】
本発明に係る積層電池は、集電体と第２電極が接着剤により接合されている。これは、導電性を有する接着剤により集電体と第２電極を接合することによって、例え、第２電極に設けた穴の径が集電体のネジの谷の外径より大きくなっても、電気的に第２電極と集電体の接触を確保することが可能になるからである。さらに、集電体と第２電極とを接着剤により接合することで組立加工時に電極が集電体から抜けてしまうのを確実に防止することができる。
【００９６】
そして、好ましくは当該接着剤が、前記電解液で溶解しない樹脂と炭素粉末から構成され、その混合比が、全体を１００質量％とすると、前記電解液で溶解しない樹脂が３０〜９０質量％、炭素粉末が１０〜７０質量％であるところ、混合比を電解液で溶解しない樹脂が３０〜９０質量％に限定した理由は、３０質量％未満であると炭素粉末が嵩高いため、十分な接着性を確保しにくく、９０質量％を超える場合は、炭素粉末を混合しても十分な導電性を確保しにくいからである。したがって、電解液で溶解しない樹脂は３０〜９０質量％が好ましく、５０〜７０質量％がより好ましい。同様に、炭素粉末は、１０〜７０質量％であることが好ましく、３０〜５０質量％であることがより好ましい。
【００９７】
また、電解液で溶解しない樹脂としてポリイミドを採用した。電解液で溶解しない樹脂とは、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エチレンビニルアルコール（ＥＶＡ）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体（ＳＥＢＳ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリアクリル、等が挙げられる。このうち、電解液に安定で且つ接着性の観点から、ＣＭＣ、ＰＶＡ、ポリアクリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミドが好ましい。なかでも、耐熱性の観点から、ポリイミドがより好ましい
【実施例１】
【００９８】
図３に本発明の実施形態に係る円筒型積層電池の軸方向の概略断面図を示す。図３に示す円筒型積層電池１１（以下、単に積層電池という）は、外装体１５と集電体１７と外装体内部に収納される電極体１３を主な構成要素として備えている。外装体１５は、有底の円筒缶１２と、円筒缶１２の開口部１２ｃに取付けられた円盤状の蓋部材１６とから構成されている。円筒缶１２と蓋部材１６はステンレス鋼でできているが、他の金属であってもよい。蓋部材１６の外径は円筒缶１２の開口部１２ｃの内径より少し大きく、蓋部材１６は電極体１３収納後に円筒缶開口部１２ｃにおいて絞まり嵌めして嵌合されている。
【００９９】
電極体１３は、正極活物質を含む正極１３ａと、負極活物質を含む負極１３ｂと、正極１３ａと負極１３ｂの間に介在してイオンは透過するが電子を透過させないセパレータ１３ｃから構成されていて、円筒缶１２の軸方向（図３のＸ方向）に積層して外装体１５の内部に収納されている。なお、電解液（図示せず）は、セパレータ１３ｃに保持されている。正極１３ａ、負極１３ｂ、セパレータ１３ｃはいずれも中心に穴の開いた、円盤状の形状を有しており、正極１３ａの外径１３ａｂは円筒缶１２の内径１２ａよりも小さく、正極１３ａと円筒缶１２は接触していない。一方、負極１３ｂの外径１３ｂｂは円筒缶１２の内径１２ａより大きく、負極の外周１３ｂｂは円筒缶１２の内面１２ａと接触しており、負極１３ｂと円筒缶１２は電気的に接続されている。好ましくは、負極１３ｂの外径１３ｂｂは円筒缶１２の内径１２ａより１００μｍ大きい。
【０１００】
集電体１７は、ステンレス鋼でできており、棒状の軸部１７ａと軸部１７ａの一端に配された止め部１７ｂとを有している。集電体１７の軸部１７ａは、正極１３ａと負極１３ｂとセパレータ１３ｃから構成される電極体１３の中心を、外装体１５の軸方向（図３のＸ方向）に貫通している。正極１３ａの中心に設けた穴１３ａａの径は、軸部１７ａの外径より小さく、正極１３ａは軸部１７ａと接触して電気的に接続されている。一方、負極１３ｂの中心に設けた穴１３ｂａの径は、軸部１７ａの外径より大きく、負極１３ｂは軸部１７ａと接触せず電気的に絶縁されている。
【０１０１】
集電体１７の側面にはネジ溝加工がされていてネジ部１７ｃを構成している。具体的には、集電体１７は模式的にその断面を図４に示すように、谷の径がｄであり、山の径がＤであるネジ構造を有している（ｄ＜Ｄ）。ネジの仕様はＪＩＳにいうＭネジであるがＩＳＯ仕様であってもよい。
【０１０２】
図４は、集電体１７と電極１３の関係を模式的に表した断面図である。この図に示すように、正極１３に設けた穴１３ａａの径は、ネジ部１７ｃの谷の径（ｄ）より小さく、正極１３ａは軸部１７ａに螺号して接触している。一方、負極１３ｂに設けた穴１３ｂａの径は、ネジ部１７ｃの山の径（Ｄ）より大きく、負極１３ｂは軸部１７ａと接触していない。
【０１０３】
本実施例において、集電体１７はＭ４のボルトを利用しており、その山の径（Ｄ）は４．０ｍｍ、谷の径（ｄ）は３．７ｍｍである。そして正極およびセパレータの穴の径１３ａａ、１３ｃａは３．５ｍｍである。
【０１０４】
図５に他の実施形態に係る集電体１７’の平面図と側面図を示す。集電体１７’の側面全周に渡り軸方向にＶ字状の溝が設けられていて、その断面は鋸歯状となっている。鋸歯状の先端部は多少の丸みを帯びていてもよい。集電体の断面が鋸歯状であれば、電極との接触面が大きく、長手方向に圧密しても電極が溝に沿ってスライドして接触不良を生じにくい。一般に、二次電池は充放電を繰り返す過程において、膨張収縮をするところ、充放電過程において電極が変形しても、電極が溝に沿ってスライドするので電極が破損することがない。
【０１０５】
電極体１３は、集電体の止め部１７ｂの上に順次積み重ねるように配されていて、止め部１７ｂは電極体１３が集電体１７の端部から脱落するのを防いでいる。止め部１７ｂの形状は円盤状である。止め部１７ｂは、円筒缶底部１２ｂに配置されるのであるが、円筒缶底部１２ｂと止め部１７ｂとの間には絶縁板１４が配せられていて、集電体１７と円筒缶１２が接触して電気的に短絡するのを防止している。止め部１７ｂと反対側の軸部１７ａの端部は、蓋部材１６の中央に設けられた軸受１８によって支持されている。蓋部材１６と軸部１７ａとが電気的短絡を起こすことを防止するために、軸受１８は絶縁性材料でできている。
蓋部材１６を貫通した軸部は正極端子１７ｄを構成する。円筒缶１２は負極端子として機能する。
次に実施例１の作用および効果について説明する。
＜冷却構造について＞
【０１０６】
負極１３ｂの外径１３ｂｂは円筒缶１２の内径１２ａより大きいので、負極１３ｂは円筒缶１２に強く押し当てられ、密に接触している。負極１３ｂで発生した熱は直接円筒缶１２に伝えられる。また、正極１３ａで発生した熱はセパレータ１３ｃを介して負極１３ｂに伝えられる。セパレータ１３ｃは熱を伝えにくいが、薄く（本実施例においては１０μｍ）、１枚のみであるので、熱の伝導に大きな妨げとならない。以上のようにして、電極１３ａ，１３ｂで発生した熱は小さな熱勾配で円筒缶１２に伝えられ、積層電池内部の温度上昇を抑制することを可能にしている。
【０１０７】
このようにして、積層電池の中心部における温度上昇を小さくすることができるので、冷媒を流すためのパイプ等を電池内部に設ける必要がないので、コンパクトな構造で温度上昇を抑えることができる。更には、外装体１２は外部に露出しているので冷却は比較的容易に行うことができ、従来の捲回電池に比べて、効果的に温度上昇を抑えることが可能となる。ここで、本発明の実施形態に係る積層電池と従来型の捲回電池の温度上昇の相違を計算例で示す。
捲回電池の総括熱伝達係数（Ｕ1）は、数３で示されるところ、本発明に係る積層電池
の総括熱伝達係数（Ｕ2）は、数４で示される。
【０１０８】
【数３】
0005514971.tif 000004
【０１０９】
【数４】
0005514971.tif 000005
ここで、１８６５０型電池を例に取り計算してみる。捲回電池の諸元は、
【０１１０】
t = 0.5mm , t+ = t- = ts = 10μm , k = k+ = k- = 40Wm-2 deg-1
h0 = 100 Wm-2 deg-1 , h1 = 1 Wm-2 deg-1 , ks = 1 Wm-2 deg-1 , n = 9/0.03 = 300
となり、これらの値を数３に代入して、U1   =  0.0011  Wm-2 deg-1を得る。
一方、本実施形態に係る積層電池の諸元は、
【０１１１】
h0 = 100 Wm-2 deg-1  , t = 0.5mm  , k  =  40Wm-2 deg-1
h1 = 10000 Wm-2 deg-1  , t* = 0.009m ,  k* = 40Wm-2 deg-1
であるので、これらの値を数４に代入して、U2   =  100  Wm-2 deg-1を得る。
両者を比較すると、本発明に係る冷却構造は、従来の捲回電池比べて１０万倍近く熱伝達に優れているといえる。
＜第一実施形態の変形例＞  
【０１１２】
図６に本発明の実施例１に係る積層電池の変形例を示す。円筒型積層電池９０は、円筒缶９２の内部に電極集合体Ｂを収納して構成されている。電極集合体Ｂは、図７（ｂ）に示すように、鉄にニッケルメッキを施した導電性の材料でできた棒状の集電体９７と、電極体９３から主として構成されている。そして、集電体９７の側部外周にネジ溝加工したネジ部９７ｃが設けられている。集電体９７は、正極９３ａと負極９３ｂとセパレータ９３ｃから構成される電極体９３の中心を貫通している。負極９３ｂの中心に設けた穴９３ｂａの径は、ネジ部９７ｃの谷の径（ｄ）より小さく、負極９３ｂは集電体９７に接触している。一方、正極９３ａに設けた穴９３ａａの径は、ネジ部９７ｃの山の径（Ｄ）より大きく、正極９３ａは集電体９７と接触していない。具体的には集電体９７はＭ４のボルトを利用しており、その山の径（Ｄ）は４．０ｍｍ、谷の径（ｄ）は３．７ｍｍである。そして正極およびセパレータの穴の径９３ａａ、９３ｃａは３．５ｍｍである。
【０１１３】
電極体９３は、集電体９７下方に位置する押板９８ｂの上に順次積み重ねるように配されていて、押板９８ｂは電極体９３が集電体９７の端部から脱落するのを防いでいる。押板９８ｂは円盤状のステンレス鋼でできている。積み重ねた電極体９３の最上部には押板９８ａが配されていて、押板９８ａ，ｂにより電極体９３が圧縮可能になっている。
【０１１４】
電極集合体Ｂは、円筒缶９２の軸方向（図６のＸ方向）に挿入されている。負極９３ｂの外径は円筒缶９２の内径よりも小さく、負極の外周９３ｂｂと円筒缶の内面９２aは接触していない。一方、正極９３ａの外径は円筒缶９２の内径より大きく、正極の外周９３ａｂは円筒缶９２の内面９２ａと接触しており、正極９３ａと円筒缶９２は電気的に接続されている。円筒缶９２の上部開口部は蓋部材９６により覆われていて、電極集合体Ｂを円筒缶９２の内部に密閉可能にしている。蓋部材９６と円筒缶９２の間には絶縁材９９が配置されていて、蓋部材９６と円筒缶９２とが接触して電気的に短絡するのを防止している。
【０１１５】
円筒缶底部９２ｂには絶縁シート９４が配置されていて、集電体の端部９７ｂが円筒缶底部９２ｂに直接接触して、集電体９７と円筒缶９２が電気的に短絡するのを防止している。集電体の他方の端部９７ａには、下に凸の板状の弾性体からなる接続板９１が取り付けられている。接続板の端部９１ａは蓋部材の底面９６ｂに当接しており、蓋部材９６により下方に付勢されている。これにより、集電体９７と蓋部材９６とは接続板９１を介して電気的に接続された状態となっている。
蓋部材９６の中央に設けた突起９６ａは負極端子として機能する。また、円筒缶９２は、正極端子として機能する。
【０１１６】
次に、本発明に係る積層電池の組み立て方法を、図７を用いて説明する。集電体９７の側面に形成されたネジの谷の径（ｄ）より小さい３．５ｍｍの外径を有する丸棒９５に、正極９３ａと負極９３ｂの間にセパレータ９３ｃが介在するように順次挿入して電極体９３ａ，ｂ，ｃを積み重ねた後、積み重ねた電極群の両端に押板９８ａ，ｂを配して電極群を保持して、電極集電体Ａを組立てる。そして、押板９８ａ、ｂを介して電極群を圧縮して、圧縮状態を保持したまま丸棒９５を引き抜き、代わりに集電体９７を押板９８ａ，ｂにより保持された電極群に圧力をかけながら回転させることによりネジ込む。このとき、押板９８ａ，ｂは集電体９７に螺合されるので電極群の圧縮状態を保持した状態で電極集合体Ｂを組立てることが可能となる。そして、電極集合体Ｂを円筒缶９２内部に圧入して、空気抜きを行い、電解液を注入する。電解液の注入後に円筒缶９２の開口部に蓋部材９６を取り付けて、円筒缶９２の開口部をかしめて、積層電池の密閉化を図る。
＜実施例２＞
【実施例２】
【０１１７】
図８に本発明の実施例２に係る積層電池を示す。図８（ｂ）の平面図に示すように、電池は全体として角型形状を有している。図８（ａ）に示す角型積層電池７１は、胴部材７２と蓋部材７３からなる外装体７５と、正極活物質を含む正極７４ａ、負極活物質を含む負極７４ｂと、正負極７４ａ，７４ｂの間に介在してイオンは透過するが電子を透過させないセパレータ７４ｃからなる電極体７４を主な構成要素として有している。胴部材７２は、有底の角型の容器であり、その開口部７２ｃを蓋部材７３で覆うことにより、胴部材７２の内方に密閉空間を形成可能にしている。胴部材７２と蓋部材７３はステンレス鋼でできているが、他の金属であってもよい。
【０１１８】
正極７４ａと負極７４ｂとが、セパレータ７４ｃを介して、胴部材７２の軸方向（図８のＹ方向）に積層され外装体７５の内部に収納されている。なお、電解液（図示せず）は、セパレータ７４ｃに保持されている。正極７４ａ、負極７４ｂ、セパレータ７４ｃはいずれもシート状であって、負極７４ｂの外方寸法７４ｂｂは胴部材７２の内方寸法７２ａよりも小さく、負極７４ｂと胴部材７２は接触していない。一方、正極７４ａの外方寸法７４ａｂは胴部材７２の内方寸法７２ａより大きく、正極７４ａの外周７４ａｂは胴部材７２の内面７２ａに圧力をもって接触しており、正極７４ａは胴部材７２に電気的に接続されている。よって、電極体７４で発生した熱は、小さな熱勾配で直接胴部材７２に伝えられるので、電極体７４の温度上昇は抑制される。好ましくは、正極７４ａの外方寸法７４ａｂは胴部材７２の内方寸法７２ａより１００μｍ大きい。
【０１１９】
集電体７７は、ステンレス鋼でできており、逆円錐状になった皿部７７ｂとこれに続く軸部７７ａを有している。軸部７７ａの側面にはネジ溝加工が施されていてネジ部７７ｃを形成していて、集電体７７は全体として皿ネジを構成している。
【０１２０】
正極７４ａと負極７４ｂとセパレータ７４ｃから構成される電極体７４には穴７４ａa、７４ｂａ、７４ｃａが設けられていて、集電体７７の軸部７７ａが、電極体７４を外装体７５の軸方向（図８のＹ方向）に貫通している。負極７４ｂに設けた穴７４ｂａの径は、軸部７７ａの外径より小さく、負極７４ｂは軸部７７ａと接触して電気的に接続されている。一方、正極７４ａに設けた穴７４ａａの径は、軸部７７ａの外径より大きく、正極７４ａは軸部７７ａと接触せず電気的に絶縁されている。
【０１２１】
４本の集電体７７（図８（ｂ）参照）は、電極体７４の下方に設けた連結板７７ｄによって、互いに連結されている。すなわち、連結板７７ｄに設けたネジ穴７７ｄａに集電体の下端部７７ｃａにおいてネジ部７７ｃが螺号することにより集電体７７と連結板７７ｄが連結される。電極体７４は、連結板７７ｄの上に順次積み重ねるように配されていて、連結板７７ｄは電極体７４が集電体７７の端部から脱落するのを防いでいる。胴部材底部７２ｂと連結板７７ｄの間には絶縁板７６ｂが配せられていて、連結板７７ｄが胴部材底部７２ｂと接触して、集電体７７と胴部材７２が電気的に短絡するのを防いでいる。具体的には、連結板７７ｄはポリプロピレンからなる絶縁板７６ｂにその周囲が囲まれている。
【０１２２】
蓋部材７３は、平板部７３ａと平板部から直角に曲がる折れ曲り部７３ｂとを有している。折れ曲り部７３ｂの内方であって、胴部材の開口部７２ｃには、絶縁板７６ａが配置されていて、最上方に位置する電極体７４が蓋部材７３と接触して電気的に短絡するのを防止している。絶縁板７６ａの蓋部材７３と反対側の面には、胴部材７２の開口部外縁が嵌合する溝７６ａａが設けられている。溝７６ａａと胴部材７２の開口部外縁の間にはポリイミドからなるシール材１７６が配されていて、外装体７５内部を気密に保持している。同様の目的で、絶縁板７６ａの集電体軸部７７ａが貫通する穴にもポリイミドからなるシール材１７６が配されている。
【０１２３】
蓋部材７３は、皿ネジとして作用する集電体７７によって、連結板７７ｄに接続されており、電極体７４を介して胴部材７２に固定されている。胴部材７２は正極端子として機能し、蓋部材７３は負極端子として機能する。
＜組電池＞
【０１２４】
図９に、角型積層電池７１を用いて組電池７０を構成したときの概略構成図を示す。角型積層電池７１の蓋部材の平板部７３ａと隣接する角型積層電池の胴部材の底部７２ｂとを対向方向に積層して面接させることにより、複数の角型積層電池を直列に接続する。直列接続された角型積層電池は正極端子板７８ａと負極端子板７８ｂとにより挟持されている。すなわち、胴部材７２に面接する正極端子板７８ａと蓋部材７３に面接する負極端子板７８ｂを配して、筐体７０ａに収納して組電池７０を構成する。吸引ファン７９ａと押し込みファン７９ｂにより、外部から冷却空気を筐体内７０ａに供給して、組電池７０の冷却を図る。組電池の出力は正極端子７８ａｂ、負極端子７８ｂｂから外部に取り出される。
【実施例３】
【０１２５】
図１０に本発明の実施例３に係るパイプ積層電池（以下、単に積層電池という）の軸方向の概略断面図を示す。図１０に示す積層電池２１は、外装体２５と集電体２７と外装体内部に収納される電極体２３を主な構成要素として備えている。外装体２５は、円管２２と、円管２２の両端にある開口部２２ｂに取付けられた円盤状の蓋部材２６とから構成されている。円管２２と蓋部材２６はステンレス鋼でできているが、他の金属であってもよい。蓋部材２６の外径は円管２２の開口部２２ｂの内径より少し大きく、蓋部材２６は電極体２３の収納後に円管開口部２２ｂにおいて絞まり嵌めして嵌合されている。
【０１２６】
電極体２３は、正極活物質を含む正極２３ａと、負極活物質を含む負極２３ｂと、正極２３ａと負極２３ｂの間に介在してイオンは透過するが電子を透過させないセパレータ２３ｃから構成されていて、円管２２の軸方向（図１０のＸ方向）に積層して外装体２５の内部に収納されている。なお、電解液（図示せず）は、セパレータ２３ｃに保持されている。正極２３ａ、負極２３ｂ、セパレータ２３ｃはいずれも中心に穴の開いた、円盤状の形状を有しており、負極２３ｂの外径２３ｂｂは円管２２の内径２２ａよりも小さく、負極２３ｂは円管２２に接触していない。一方、正極２３ａの外径２３ａｂは円管２２の内径２２ａより大きく、正極２３ａは円管２２の内面２２ａと接触しており、円管２２に電気的に接続されている。好ましくは、正極２３ａの外径２３ａｂは円管２２の内径２２ａより１００μｍ大きい。
【０１２７】
集電体２７は、ステンレス鋼でできており、中央部分の軸部２７ａと両端部分の端部２７ｂとを有している。集電体２７の軸部２７ａは、正極２３ａと負極２３ｂとセパレータ２３ｃから構成される電極体２３の中心を、外装体２５の軸方向（図１０のＸ方向）に貫通している。負極２３ｂの中心に設けた穴２３ｂａの径は、軸部２７ａの外径より小さく、負極２３ｂは軸部２７ａと接触して電気的に接続されている。一方、正極２３ａの中心に設けた穴２３ａａの径は、軸部２７ａの外径より大きく、正極２３ａは軸部２７ａと接触せず電気的に絶縁されている。また、集電体２７の側面にはネジ溝加工が施されネジ部２７ｃを形成している。
【０１２８】
電極体２３は、集電体の軸部２７ａに串刺状態で順次積み重ねられている。集電体２７はその両端部２７ｂにおいて、蓋部材２６の中央に設けられた軸受２８によって支持されている。蓋部材２６と集電体２７とが電気的短絡を起こすことを防止するために、軸受２８は絶縁性材料でできている。
蓋部材２６を貫通した集電体端部２７ｂは負極端子２７ｃとなる。円管２２は正極端子として機能する。
【０１２９】
次に、本発明に係る積層電池の組み立て方法について説明する。集電体２７の側面に形成したネジの谷と同じ外径（ｄ）を有する丸棒（図示せず）に正極２３ａと負極２３ｂの間にセパレータ２３ｃが介在するように順次挿入して電極を積み重ね圧縮した後、圧縮状態を保持しつつ丸棒を引き抜き、代わりに集電体２３をネジ込み電極集合体を組立てる。そして、電極集合体を円管２２内部に圧入して、空気抜きを行い、電解液を注入した後、押板として作用する蓋部材で電極群２３を円管２２の内部に圧力をもって封入する。この組立方法によれば、円管状の外装体に電極集合体を圧入した後、蓋部材２６により円管開口部に蓋をして積層電池を密閉化を図ることができる。
【０１３０】
図１１（ａ）には、積層電池２１とともに接続金具２９が図示されている。接続金具２９は、積層電池２１と隣接する積層電池２１'の間に、蓋部材２６に面接して配されている。この接続金具２９は柱状の金属製であって、その軸方向は集電体２７の軸方向（図１１のＸ方向）と一致している。接続金具２９の上面２９ａ（図では左側の面）の中心部には上面２９ａに垂直方向の穴２９ａａが設けられていて、隣接する積層電池２１'の集電体２７'が嵌合可能になっている。接続金具２９の底面２９ｂ（図では右側の面）の中心部には底面２９ｂに垂直方向の穴２９ｂａが設けられていて、絶縁部材２４が嵌合可能となっている。そして絶縁部材２４の中央には垂直方向に穴２４ａが設けられていて、積層電池２１の集電体軸部２７ａが嵌合可能になっている。接続金具の底面２９ｂが積層電池の蓋部材２６に面接することにより、積層電池２１と隣接する積層電池２１'とは、接続金具２９を介して電気的に接続されることとなる。このとき、絶縁部材２４は、集電体２７と外装体２５が接触して電気的に短絡を起こすことを防止する。
【０１３１】
図１１（ｂ）に示すように、接続金具２９を用いて、互いに隣接する積層電池２１を連結することにより、積層電池を直列に接続して組電池２０とすることが可能となる。
本実施例の作用効果のうち、冷却構造に関する事項は、実施例１の項を参照されたい。
【実施例４】
【０１３２】
図１２に本発明の実施例４に係るパイプ積層電池（以下、積層電池という）の軸方向の概略断面図を示す。図１２に示す積層電池６１は、外装体６５と集電体６７と外装体内部に収納される電極体６３を主な構成要素として備えている。外装体６５は、円管６２と、円管６２の両端にある開口部６２ｃに取付けられた円盤状の蓋部材６６とから構成されており、その内部に電極体６３を収納するための密閉空間を形成している。外装体の胴部となる円管６２はステンレス鋼製である。蓋部材６６は第１蓋部材６６ａ（図の右側）と第２蓋部材６６ｂとのより構成されており、いずれもポリプロピレンでできているが、絶縁性のある他の樹脂であってもよい。蓋部材６６ａ，６６ｂの外径はいずれも円管６２の開口部６２ｃの内径より少し大きく作られており、蓋部材６６の外周にはシール材６８が塗布されており、外装体６５の内部を気密にする役割を果たす。シール材６８としてはポリイミドを用いたが、シール性があれば他の材料でもよい。集電体６７は、中央部分の棒状の軸部６７ａと軸部６７ａの一端に設けられた円盤状の止め部６７ｂとを有している。集電体６７は、ステンレス鋼でできている。
【０１３３】
電極体６３は、正極活物質を含む正極６３ａと、負極活物質を含む負極６３ｂと、正極６３ａと負極６３ｂの間に介在してイオンは透過するが電子を透過させないセパレータ６３ｃから構成されていて、円管６２の軸方向（図１２のＸ方向）に積層して外装体６５の内部に収納されている。なお、電解液（図示せず）は、セパレータ６３ｃに保持されている。正極６３ａ、負極６３ｂ、セパレータ６３ｃはいずれも中心に穴の開いた、円盤状の形状を有しており、正極６３ａの外径６３ａｂは円管６２の内径６２ａよりも小さく、正極６３ａと円管６２は接触していない。一方、負極６３ｂの外径６３ｂｂは円管６２の内径６２ａより大きく、負極６３ｂは円管６２の内面６２ａと接触しており、円管６２に電気的に接続されている。好ましくは、負極６３ｂの外径６３ｂｂは円管６２の内径６２ａより１００μｍ大きい。
【０１３４】
集電体６７の軸部６７ａは、正極６３ａと負極６３ｂとセパレータ６３ｃから構成される電極体６３の中心を、外装体２５の軸方向（図１２のＸ方向）に貫通している。正極６３ａの中心に設けた穴６３ａａの径は、軸部６７ａの外径より小さく、正極６３ａは軸部６７ａと接触して電気的に接続されている。一方、負極６３ｂの中心に設けた穴６３ｂａの径は、軸部６７ａの外径より大きく、負極６３ｂは軸部６７ａと接触せず電気的に絶縁されている。なお、集電体の止め部６７ｂはポリプロピレンで覆われており、第２蓋部材６６ｂの内部に収納されている。また、集電体６７ａの側面にはネジ溝加工が施されネジ部６７ｃを形成している。
【０１３５】
次に積層電池６１の組み立て方法について説明する。集電体の止め部６７ｂを収納した第２蓋部材６６ｂを下にして、集電体の軸部６７ａに、正極６３ａと負極６３ｂの間にセパレータ６３ｃが介在するように順次電極体６３を挿入して積み重ねて行く。止め部６７ｂは電極体６３が集電体６７から抜け落ちるのを防止することを可能にしている。このようにして組み上がった電極体集合体を万力を使用して軸方向（図１２のＸ方向）に圧縮し、圧縮状態を保持して円管６２に圧入する。その後、真空ポンプを用いて、外装体６５の内部の空気を排除して、電解液（図示せず）を外装体６５の内部に注入して、第１蓋部材６６ａを取付ける。そして、ナット６４を螺合させることにより第１蓋部材６６ａを固定して、外方（図の右方向）への移動を制限する。電極体６３を外装体６５に圧入後に円管開口部６２ｃを嵌めることにより蓋部材６６ａ，６６ｂは円管６２に圧着される。
第１蓋部材６６ａを貫通した集電体端部は正極端子６７ｄを構成する。円管６２は負極端子として機能する。
【０１３６】
大小２つの穴のあいた金属板からなる図１３(ｂ)に示すブラケット６９を用いて積層電池６１を接続して組電池６０を構成してもよい（図１３（ａ）参照）。ブラケット６９には、積層電池の円管６２が嵌合する穴６９ａと、正極端子６７ｄが嵌合する穴６９ｂが設けられていている。積層電池の円管６２がブラケットの穴６９ａに取付けられている。そして、隣接する積層電池の正極端子６７ｄがブラケットの他方の穴６９ｂに挿入され、ナット６４ａを螺号させることにより、正極端子６７ｄはブラケット６９に取付けられている。このようにして、ブラケット６９を介して複数の積層電池が直列に接続される。ブラケット６９は、隣接する積層電池６１を電気的に接続する役割を果たし、更には積層電池の放熱板としての機能も果たす。ブラケットに平行方向の冷却空気をファン６９ｃで送ることにより冷却能力を高めることができる。複数のブラケットを用いて積層電池を次々と接続して、積層電池の直列数を増やして、出力電圧の高圧化を図ることが可能である。
本実施例の作用効果のうち、冷却構造に関する事項は、実施例１の項を参照されたい。
【実施例５】
【０１３７】
図１４に本発明の実施例５に係る円筒型積層電池（以下、単に積層電池という）の軸方向の概略断面図を示す。図１４に示す積層電池４１は、外装体４５と集電体４７と外装体内部に収納される電極体４３を主な構成要素として備えた２つの電池４１−１、４１−２を、絶縁体からなる接続ピース４４を介して接続してなる電池である。
【０１３８】
第１電池４１−１および第２電池４１−２において、外装体４５−１、４５−２は、ステンレス鋼製の有底の円筒で構成されている。導電性を有しておれば、ステンレス鋼以外の金属であってもよい。
【０１３９】
電極体４３−１、４３−２は、正極活物質を含む正極４３−１ａ、４３−２ａと、負極活物質を含む負極４３−１ｂ、４３−２ｂと、正極４３−１ａ、４３−２ａと負極４３−１ｂ、４３−２ｂの間に介在してイオンは透過するが電子を透過させないセパレータ４３−１ｃ、４３−２ｃから構成されていて、それぞれ、外装体４５−１、４５−２の軸方向（図１４のＸ方向）に積層して外装体内部に収納されている。正極４３−１ａ、４３−２ａ、負極４３−１ｂ、４３−２ｂ、セパレータ４３−１ｃ、４３−２ｃはいずれも２つの穴の開いた、円盤状の形状を有している。
【０１４０】
集電体４７−１、４７−２は、ステンレス鋼でできており、棒状の軸部４７−１ａ、４７−２ａと軸部４７−１ａ、４７−２ａの一端に取付けられた止め部４７−１ｂ、４７−２ｂとを有している。集電体の軸部４７−１ａ、４７−２ａは、それぞれ、電極体４３−１、４３−１を、外装体４５−１，４５−２の軸方向（図１４のＸ方向）に貫通している。また、集電体４７−１、４７−２の側面にはネジ溝加工が施されネジ部を形成している。
【０１４１】
第１電池４１−１において、正極４３−１ａの外径４３−１ａｃは外装体４５−１の内径４５−１ａよりも小さく、正極４３−１ａと外装体４５−１は接触していない（図１４（ｂ）参照）。一方、負極４３−１ｂの外径４３−１ｂｃは外装体４５−１の内径４５−１ａより大きく、負極の外周４３−１ｂｃは外装体４５−１の内面４５−１ａと接触しており、外装体４５−１に電気的に接続されている。
【０１４２】
正極４３−１ａに設けた一方の穴４３−１ａｂの径は、軸部４７−１ａの外径より小さく、正極４３−１ａは軸部４７−１ａと接触して電気的に接続されている。一方、正極４３−１ａに設けた他方の穴４３−１ａａの径は、軸部４７−２ａの外径より大きく、正極４３−１ａは軸部４７−２ａと接触せず電気的に絶縁されている。
【０１４３】
そして、負極４３−１ｂに設けた一方の穴４３−１ｂｂの径は、軸部４７−２ａの外径より小さく、負極４３−１ｂは軸部４７−２ａと接触して電気的に接続されている。一方、負極４３−１ｂに設けた他方の穴４３−１ｂａの径は、軸部４７−１ａの外径より大きく、負極４３−１ｂは軸部４７−１ａと接触せず電気的に絶縁されている。
【０１４４】
第２電池４１−２において、正極４３−２ａの外径４３−２ａｃは外装体４５−２の内径４５−２ａよりも大きく、正極の外周４３−２ａｃは外装体４５−２の内面４５−２ａと接触しており、外装体４５−２に電気的に接続されている。一方、負極４３−２ｂの外径４３−２ｂｃは外装体４５−２の内径４５−２ａより小さく、負極４３−２ｂと外装体４５−２は接触していない。
【０１４５】
正極４３−２ａに設けた一方の穴４３−２ａａの径は、軸部４７−１ａの外径より小さく、正極４３−２ａは軸部４７−１ａと接触して電気的に接続されている。一方、正極４３−２ａに設けた他方の穴４３−２ａｂの径は、軸部４７−２ａの外径より大きく、正極４３−２ａは軸部４７−２ａと接触せず電気的に絶縁されている。
【０１４６】
そして、負極４３−２ｂに設けた一方の穴４３−２ｂａの径は、軸部４７−２ａの外径より小さく、負極４３−２ｂは軸部４７−２ａと接触して電気的に接続されている。一方、負極４３−２ｂに設けた他方の穴４３−２ｂｂの径は、軸部４７−１ａの外径より大きく、負極４３−２ｂは軸部４７−１ａと接触せず電気的に絶縁されている。
【０１４７】
以上より、第１電池４１−１において、第１外装体４５−１は、負極端子となり、第１集電体４７−１は、正極端子となる。一方、第２電池４１−２において、第２外装体４５−２は、正極端子となり、第２集電体４７−２は、負極端子となる。第１外装体４５−１と第２集電体の止め部４７−２ｂが外装体４５−１の底部において接触しているので、結局第１外装体４５−１が負極端子として機能する。そして、第２外装体４５−２と第１集電体の止め部４７−１ｂが外装体４５−２の底部において接触しているので、結局第２外装体４５−２が正極端子として機能する。
【０１４８】
以上述べたように、本発明は、２つの電池４１−１、４１−２において、接続ピース４４を境にして、電極４３−１ａ、４３−２ａ、４３−１ｂ、４３−２ｂの外径寸法と穴の寸法を入れ替えることにより、積層された電極体を共通に使用してなることを特徴としている。
【０１４９】
図１５（ａ）に積層電池４１を用いて組電池を構成した場合の接続図を示す。放熱板４９（図１５（ｂ）参照）に、積層電池４１の外装体４５を取付ける穴４９ａを設けて、相隣り合う穴４９ａにそれぞれ異なる極性を有する外装体４５−１と４５−２を取付ける。積層電池４１で発生した熱は放熱板４９に伝えられて、別途設けた送風機４９ｂからの冷却風で冷却されることとなる。また、放熱板は積層電池４１の直並列接続の導電体としても作用する。
＜変形例＞
【０１５０】
図１６に本発明の実施例５の変形例に係る積層電池の軸方向の概略断面図を示す。図１４と共通する部分は、特に明記しない場合は同じ符号を付したものとして説明する。外装体４５は、熱伝導度の高い絶縁材４６を内方に有し、ステンレス鋼等の構造材からなる円筒缶４２を外方に有する二重構造となっている。すなわち、ステンレス鋼よりなる円筒缶４２の内面４２ａに、アルミナよりなるセラミックス層（絶縁体４６）がプラズマ溶射により形成されている。絶縁体４６は熱伝導度の高い材料でできているので、電極体４３−１，４３−２で発生した熱は小さな熱勾配で円筒缶４２に伝えられるので、積層電池４１'の内部の温度上昇を抑制することが可能となる。絶縁体４６は、熱伝導度の高く絶縁性を有したものであればよく、チタニア、アルミナ・チタニア等のセラミックスやダイヤモンドであってもよい。
【０１５１】
電極体４３は、絶縁体４６で覆われているので、図１４に示したような接続ピース４４は必要としない。集電体の止め部４７−１ｂ、４７−２ｂに軸部４７−１ａ、４７−２ａの反対側に突出する端子部４７−１ｃ、４７−２ｃを設けて、これら端子部４７−１ｃ、４７−２ｃを外装体４５に設けた絶縁物質からなる軸受４８−１、４８−２を介して積層電池４１'の外方に取り出して、正極端子および負極端子とした。
本実施例の作用効果のうち、冷却構造に関する事項に関する事項は、実施例１の項を参照されたい。
【実施例６】
【０１５２】
図１７に本発明の実施例６に係る円筒型積層電池（以下、単に積層電池という）の軸方向の概略断面図を示す。図１７に示す積層電池５１は、外装体５５と外装体内部に収納された集電体５７と電極体５３を主な構成要素として備えている。外装体５５は、有底の円筒缶５２と、円筒缶内面５２ａに配置された絶縁体５９と、円筒缶５２の開口部５２ｃに取付けられた円盤状の蓋部材５６とから構成されている。円筒缶５２と蓋部材５６はステンレス鋼でできているが、ステンレス鋼の他にチタンやカーボンやアルミ等導電性を有する物体であってもよい。蓋部材５６の外径は円筒缶５２の開口部５２ｃの内径より少し大きく、蓋部材５６は電極体５３収納後に円筒缶開口部５２ｃにおいて絞まり嵌めして嵌合されている。
【０１５３】
電極体５３は、正極活物質を含む正極５３ａと、負極活物質を含む負極５３ｂと、正極５３ａと負極５３ｂの間に介在してイオンは透過するが電子を透過させないセパレータ５３ｃから構成されている。なお、電解液（図示せず）は、セパレータ５３ｃに保持されている。係る電極体５３が、円筒缶５２の軸方向（図１７のＸ方向）に積層され、外装体５５の内部に収納されている。ここに、隣接する電極体５３の間にはステンレス製の隔壁５４が挿入されている。隔壁５４は金属であるので電子（電気）は通すがイオンは通さないので、隣接する電極体５３は電気的に互いに直列に接続されることとなる。積層電池５１の出力電圧は、電極体５３の積層数により定まる。本実施例において、１つの電極体５３からなる単位電池の端子電圧は３．６Ｖであり、本実施例に係る積層電池５１は、５０個の単位電池を積層してなるので、その出力電圧は１８０Ｖとなる。
【０１５４】
集電体５７は、棒状に突出した軸部５７ａと軸部５７ａの一端に取付けられ円盤状に形成された板部５７ｂとを有している。集電体の板部５７ｂは、積層された電極体５３を挟む形で対抗する方向で設けられている。そして、軸部５７ｂは、それぞれ蓋部材５６中央および円筒缶底部５２ｂの中央に設けた穴５８ａ、５８ｂを貫通して、積層電池５１の外方に突き出していて、それぞれ正極端子５７ｃａおよび負極端子５７ｃｂとして機能する。軸部５７ａが貫通す貫通する穴５８ａ、５８ｂには軸受５８が装着されている。軸受５８は絶縁性材料でできており、軸部５７ｂが外装体５５と接触して電気的に短絡するのを防止する。集電体５７は、ステンレス鋼でできている。
【０１５５】
隔壁５４、正極５３ａ、負極５３ｂ、セパレータ５３ｃはいずれも円盤状の形状を有しており、正極５３ａおよび負極５３ｂの外径５３ａａ、５３ｂａは外装体５５の内径５５ａよりも大きく、電極体５３は外装体５５に圧力を持って接触している。好ましくは、正極５３ａおよび負極５３ｂの外径５３ａａ、５３ｂａは外装体５５の内径５５ａよりも１００μｍ大きい。
【０１５６】
円筒缶５２の内面５２ａに、アルミナよりなるセラミックス層をプラズマ溶射により絶縁体５９を形成させた。絶縁体５９は熱伝導度の高い材料でできているので、電極５６ａ，５６ｂで発生する熱は小さな熱勾配で円筒缶５２に伝えられ、積層電池５１の内部の温度上昇を抑制することが可能となる。更に、絶縁体５９は、正極５３ａと負極５３ｂとが電気的に短絡するのを防止している。絶縁体５９は熱伝導度の高い材料でできているので、電極５３ａ，５３ｂで発生した熱は小さな熱勾配で円筒缶５２に伝えられるので、積層電池内部の温度上昇を抑制することが可能となる。絶縁体４６は、熱伝導度の高く絶縁性を有したものであればよく、チタニア、アルミナ・チタニア等のセラミックスが上げられる。これらは良好な絶縁性と絶縁耐力（約１００Ｖ／ｍｍ）、高い熱伝導率（約７ｘ１０-3ｃａｌ／ｃｍ／ｓｅｃ・℃）、大きな機械的強度（ロックウエル硬度５０以上）を有している。絶縁体５９を形成するこれらセラミックス層は、プラズマ溶射法をもちいて加工した。絶縁体５９は熱伝導度の高い絶縁材であればよく、ダイヤモンドであってもよい。
本実施例の作用効果のうち、冷却構造に関する事項に関する事項は、実施例１の項を参照されたい。
＜試験結果＞
【０１５７】
本発明の実施例１に係る積層型のリチウム二次電池を、０．１Ｃ率、３０Ｃ率で充電を行い、満充電後に積層電池の外装体表面の温度を調べた。温度計測は、電池外装体の表面を市販の放射温度計により測定した。温度計測に際しては無風状態について試験を実施した。また、比較例として、捲回型のリチウム二次電池（図１に示した構造のリチウム二次電池）でも、本発明の実施例１に係る積層型のリチウム二次電池と同様の試験を実施した。
【０１５８】
まず、０．１Ｃ率で充電を行った結果では、本発明の実施例１に係る積層型のリチウム二次電池であっても、捲回型のリチウム二次電池であっても５℃以上の温度上昇が観測されなかった。しかし、３０Ｃ率で充電を行った結果では、本発明の実施例１に係る積層型のリチウム二次電池の温度昇は５℃未満であったのに対し、捲回型のリチウム二次電池の温度上昇は、１６℃であった。
【０１５９】
この試験結果から、本発明の実施例１に係る積層型のリチウム二次電池は電池内の熱伝導度が大きいため、例え充電により温度が上昇しても、すぐに温度が下がるが、捲回型のリチウム二次電池では、電池内の熱伝導度が小さいため、充電により温度が上昇しても、なかなか温度が下がらないことが推察される。
＜電池或いは電池システムの用途＞
【０１６０】
本発明の積層型の非水系二次電池は、非水系二次電池であるため、単セルあたりの動作電圧が高く、高エネルギー密度で充放電を行っても電池の蓄熱は少なく、且つ特殊な設備を必要とせずにも容易に積層型電池を構成されるため、電動工具、自動車等の電源として使用ができるだけでなく、電気機器、電気製品、または、乗り物等の用途での使用が可能となる。また、バックアップ用の電源としても使用可能である。
【０１６１】
電気機器、電気製品、または、乗り物には、例えば、エアコン、洗濯機、テレビ、冷蔵庫、冷凍庫、冷房機器、ノートパソコン、パソコンキーボード、パソコン用ディスプレイ、デスクトップ型パソコン、ノート型パソコン、CRTモニター、パソコンラック、プリンター、一体型パソコン、マウス、ハードディスク、パソコン周辺機器、アイロン、衣類乾燥機、ウインドウファン、トランシーバー、送風機、換気扇、テレビ、音楽レコーダー、音楽プレーヤー、オーブン、レンジ、洗浄機能付便座、温風ヒーター、カーコンポ、カーナビ、懐中電灯、加湿器、携帯カラオケ機、換気扇、乾燥機、乾電池、空気清浄器、携帯電話、非常用電灯、ゲーム機、血圧計、コーヒーミル、コーヒーメーカー、こたつ、コピー機、ディスクチェンジャー、ラジオ、シェーバー、ジューサー、シュレッダー、浄水器、照明器具、除湿器、食器乾燥機、炊飯器、ステレオ、ストーブ、スピーカー、ズボンプレッサー、掃除機、体脂肪計、体重計、ヘルスメーター、ムービープレーヤー、電気カーペット、電気釜、炊飯器、電気かみそり、電気スタンド、電気ポット、電子ゲーム機、携帯ゲーム機、電子辞書、電子手帳、電子レンジ、電磁調理器、電卓、電動カート、電動車椅子、電動工具、電動歯ブラシ、あんか、散髪器具、電話機、時計、インターホン、エアサーキュレーター、電撃殺虫器、複写機、ホットプレート、トースター、ドライヤー、電動ドリル、給湯器、パネルヒーター、粉砕機、はんだごて、ミシン、ビデオカメラ、ビデオデッキ、ファクシミリ、ファンヒーター、フードプロセッサー、布団乾燥機、ヘッドホン、電気ポット、ホットカーペット、ホットプレート、マイク、マッサージ機、豆電球、ミキサー、ミシン、もちつき機、床暖房パネル、ランタン、リモコン、冷温庫、冷水器、冷凍ストッカー、冷風器、ワープロ、泡だて器、電子楽器、オートバイ、おもちゃ類、芝刈り機、うき、自転車、自動車、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道、船、飛行機、非常用蓄電池などが挙げられる。
【産業上の利用可能性】
【０１６２】
本発明に係る積層電池は、産業用のみならず民生用の二次電池として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【０１６３】
１  蓄電池
２  電池ケース
３  正極
４  負極
５  セパレータ
６  キャップ
７  封口板
１１  円筒型積層電池
１２  円筒缶（ａ：側部内面）
１３  電極体（ａ：正極、ｂ：負極、ｃ：セパレータ）
１４  絶縁板
１５  外装体
１６  蓋部材
１７  集電体
１８  軸受
２０  組電池
２１  パイプ積層電池
２２  円管（ａ：内面）
２３  電極体（ａ：正極、ｂ：負極、ｃ：セパレータ）
２４  絶縁部材
２５  外装体
２６  蓋部材
２７  集電体
２８  軸受
２９  接続金具
４１  円筒型積層電池
４２  円筒缶
４３  電極体（ａ：正極、ｂ：負極、ｃ：セパレータ）
４４  接続ピース
４５  外装体
４６  絶縁体
４７  集電体
４８  軸受
４９  放熱板
５１  円筒型積層電池
５２  円筒缶（ａ：側部内面）
５３  電極体（ａ：正極、ｂ：負極、ｃ：セパレータ）
５４  隔壁
５５  外装体
５６  蓋部材
５７  集電体
５８  軸受
５９  絶縁体
６０  組電池
６１  パイプ積層電池
６２  円管（ａ：内面）
６３  電極体（ａ：正極、ｂ：負極、ｃ：セパレータ）
６４  ナット
６５  外装体
６６  蓋部材
６７  集電体
６８  シール材
６９  ブラケット
７０  組電池
７１  角型積層電池
７２  胴部材（ａ：内面）
７３  蓋部材
７４  電極体（ａ：正極，ｂ：負極，ｃ：セパレータ）
７５  外装体
７６  絶縁板
７７  集電体
７８  端子板
７９  ファン
８０  シール材
９０  円筒型積層電池
９１  接続板
９２  円筒缶（ａ：内部側面、ｂ：底部）
９３  電極体（ａ：正極、ｂ：負極、ｃ：セパレータ）
９４  絶縁シート
９５  丸棒
９６  蓋部材（ａ：正極端子、ｂ：底部）
９７  集電体（ａ：頂部、ｂ：底部、ｃ：ネジ部）
９８  押板
９９  絶縁材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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